广西北部湾海积软土结合水特性及蠕变释水机制研究

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广西北部湾大规模填海造地活动使原地沉积的海积软土成为大面积的下伏软弱层。海积软土具有结构复杂、压缩性高及强度低等不良工程特性,其在荷载作用下有显著的蠕变现象。长期不能稳定的蠕变变形会给工程建设带来巨大的潜在威胁。已有研究成果表明,结合水是影响软土蠕变特性的重要因素。因此,从结合水角度出发揭示海积软土蠕变释水机制,具有重要的理论意义和实际工程价值。本文着重分析了海积软土结合水特性及蠕变释水机制,在此基础上,建立了贯穿整个固结过程的蠕变模型。论文的主要研究内容及成果如下:(1)通过现场调研、粒度分析、矿物分析及压汞测试等手段,对海积软土的赋存环境、物理性质以及孔隙分布特征展开研究。研究表明:海积软土中含有大量的黏粒(防城港海积软土黏粒质量占比高达37%),其主要矿物成分为蒙脱石和伊利石;孔径范围在0.18μm~0.78μm的中、小孔隙在软土中占据了主导地位。这些因素为结合水的形成和存储提供了极其有利的条件。(2)以海积软土中主要黏土矿物且与水相互作用活动性较强的蒙脱石为研究对象,对其展开分子动力学模拟和等温吸附试验,研究结合水的形成机制及其属性的定量表征。研究表明:以p/p0=0.4和0.9为分界点(p是湿空气的水蒸气分压力,p0是相同温度下水的饱和压力),对结合水类型进行了重新划分,以此提出了“次强结合水”的概念。在此基础上,进一步计算了结合水的水膜厚度、密度等属性参数。(3)采用上述结合水属性参数的量测和计算方法,以海积软土为研究对象,对其展开DVS水分吸附试验、比表面积测试和比重试验,研究海积软土中结合水含量、水膜厚度及密度等变化规律以及土颗粒和水分子的联结作用。研究表明:海积软土与蒙脱石的等温吸湿曲线试验结果类似,存在p/p0=0.4、0.9,将结合水划分为强结合水、次强结合水和弱结合水三种类型。建立了黏土颗粒和水之间吸力与水膜厚度的数学模型,发现随着相对湿度的增大,吸力呈急速下降的趋势,p/p0=0.1时,吸力高达500MPa,而p/p0=0.9时,吸力仅有8MPa左右,这为蠕变释水机制的研究提供了理论参考依据。(4)通过对海积软土开展一维固结蠕变试验、直接剪切试验以及电镜扫描测试,研究海积软土蠕变特性及细观结构演化特征。在此基础上,分析蠕变释水机制,并初步建立基于释水机制的蠕变模型。研究表明:在整个蠕变过程中,弱结合水是蠕变变形的主控因素。当固结压力较低时,主要为自由水的排出过程,但固结压力达到某一临界值时,弱结合水将转化为自由水排出。同时给出了基于释水机制的蠕变模型,对预测填海造地形成新陆域的长期沉降有重要的实际意义。
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